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논문 기본 정보

자료유형
학위논문
저자정보

성민상 (인하대학교, 인하대학교 대학원)

지도교수
최승복
발행연도
2013
저작권
인하대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수12

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이 논문의 연구 히스토리 (3)

2013

MR 댐퍼를 이용한 초정밀 스테이지의 미세 진동 제어
성민상 기계공 2013.01 학위논문

2012

반도체 장비의 미세진동제어를 위한 MR 댐퍼의 설계
성민상 ,  최승복 ,  김철호 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 2012.05 학술대회자료

2011

MR 댐퍼를 이용한 반도체 장비용 마운트 시스템의 성능 평가
성민상 ,  최승복 ,  김철호 대한기계학회 춘추학술대회 2011.11 학술대회자료

초록· 키워드

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본 연구에서는 반도체, 디스플레이 등의 신성장 초정밀 생산장비의 기반이 되는 초정밀 스테이지의 제진 성능을 높이고 방진 성능을 확보하기 위하여 새로운 형태의 MR (magnetorheological) 댐퍼를 설계, 제작하고 스테이지의 진동 제어 성능을 평가하였다. 이를 위하여 먼저 지능 재료의 특징을 고찰하고, 특히 본 연구에 적용되는 MR 유체의 개념을 정의한 후, 상용 MR 유체 시장을 독점하고 있는 미국 LORD社의 MR 유체 및 국내 RMS Technology社의 MR 유체 성능을 실험을 통해 검증하고 비교하였다. 또한 초정밀 스테이지를 종류에 따라 정의하고 초정밀 스테이지에 영향을 미치는 진동원을 고찰하였으며, 다양한 구조의 MR 댐퍼 적용 방안을 고찰하였다.
초정밀 스테이지에는 스테이지상의 이송계에서 발생하는 복합적인 과도응답 진동과 주변 환경에서 발생하는 미세 진동이 존재한다. 과도응답 진동은 장비의 진동 허용치를 크게 초과하여, 발생된 진동이 요구수준 이하로 낮아질 때까지 공정이 멈추게 되어 생산량에 악영향을 끼치게 되며, 이송과 작업이 함께 이루어지는 경우 진동 요구 수준을 만족시키기가 매우 어려워진다. 따라서 본 연구에서는 MR 댐퍼를 초정밀 스테이지에 적용하여 적절한 감쇠력을 제공, 과도응답 진동을 효과적으로 제진 할 수 있도록 하였다. 또한 다른 장비의 진동, 작업자의 이동, 건물 자체의 진동 등에 의해 발생하는 미세 진동은 초정밀 스테이지로 전달될 경우 진동 레벨이 낮아져 작업 균일성 저하 및 불량률 증가를 초래한다. 이에 따라 초정밀 스테이지는 방진 성능을 갖추어야 하며, 이를 위해 초정밀 스테이지용 MR 댐퍼는 방진 성능을 확보하기 위한 새로운 구조가 요구된다.
일반적으로 MR 댐퍼에는 유체의 누출을 막기 위한 캡의 실링과, 피스톤의 움직임을 고정하고 유체가 피스톤 주위로 흐르는 것을 막기 위한 웨어링을 통해 고체마찰이 발생하게 된다. 본 연구에서는 초정밀 스테이지에 적용하기 위해 고체마찰을 제거한 새로운 형태의 MR 댐퍼를 고안하였다. 이를 위하여 피스톤 헤드와 실린더 사이의 웨어링을 제거하고 사이의 간극을 직접적인 오리피스로 활용하였으며, 캡의 실링을 제거하고 피스톤과 실린더를 고무나 실리콘과 같은 유연한 탄성체로 연결하여 피스톤의 자유로운 운동을 보장하면서도 고체마찰이 발생하지 않도록 하였다. 이와 같은 MR 댐퍼 구조를 기반으로 다양한 형태와 성능의 복합모드형 MR 댐퍼를 설계, 제작하고 이의 성능을 실험을 통해 고찰하였다. MR 댐퍼의 설계 변수 및 특성 시험 결과를 바탕으로 MR 댐퍼의 단순 모델 및 히스테리시스를 고려한 비선형 모델을 설계하고 모델의 댐핑력 예측 능력을 평가하였으며, 모델 기반 댐핑력 보상기를 설계하고 댐핑력 제어 실험을 수행하였다. 또한 초정밀 스테이지를 모델링하고 스카이훅 제어기, 슬라이딩모드 제어기 등 다양한 진동 제어 알고리즘을 구축하여 MR 댐퍼의 진동 제어 성능을 평가하였다. 여러 형태의 복합모드형 MR 댐퍼의 설계 제작, 실험을 통해 축적된 지식을 기반으로 자기장 무 부하 시 힘 전달이 거의 발생하지 않는 전단모드형 MR 댐퍼를 설계, 해석하고 제작하였다. 제작된 MR 댐퍼의 성능을 실험을 통해 검증하였다.
마지막으로 제작된 MR 댐퍼를 이용해 초정밀 스테이지 시험장치를 구성하고 진동제어 성능을 실험을 통해 검증하였다. 실험 결과 MR 댐퍼를 초정밀 스테이지에 적용할 경우 뛰어난 제진 및 방진성능이 확보됨을 확인하였다.
#MR Damper #Ultra Precision Stage #Vibration Control

목차

CONTENTS
ENCLATURES xvii
요 약 문 i
ABSTRACT iii
CONTENTS v
LIST OF TABLES vii
LIST OF FIGURES viii
1. 서론 13
2. MR 유체 16
2.1 지능 재료 16
2.2 MR 유체 18
2.3 MR 유체의 특성 23
3. 초정밀 스테이지 32
4. 복합 모드형 MR 댐퍼 43
4.1 UPS-RMS 1 MR 댐퍼 48
4.2 UPS-RMS 2 MR 댐퍼 58
4.3 UPS-RMS 3 MR 댐퍼 66
4.4 UPS-S3Lab 1 MR 댐퍼 78
4.5 UPS-S3Lab 2 MR 댐퍼 83
5. 전단 모드형 MR 댐퍼 106
5.1 MR 댐퍼의 설계 106
5.2 MR 댐퍼의 성능 평가 122
6. 초정밀 스테이지의 진동 제어 136
7. 결론 155
참고문헌 156
LIST OF TABLES
Table 2.1 Classification of the smart materials and their response [13] 17
Table 2.2 Characteristics of the MRF-132DG [33] 25
Table 3.1 BBN Vibration criteria [35] 35
Table 4.1 System parameters [39] 69
Table 5.1 Optimization of the magnetic field 108
Table 6.1 Vibration control results of ultra-precision stage (time) 140
Table 6.2 Vibration control results of ultra-precision stage (frequency) 141
LIST OF FIGURES
Figure 2.1 Phenomenological behavior of the MR fluid [31] 20
Figure 2.2 Photograph of the MR fluid behavior 21
Figure 2.3 Modes of the MR fluid [31] 22
Figure 2.4 Characteristics of the MRF-132DG [33] 26
Figure 2.5 Photograph of the MR viscometer 27
Figure 2.6 Shear rate vs. shear stress of the MR fluids (■: RMS MR Fluid, ▲: MRF-132DG, ●: MRF-126CD) 29
Figure 2.7 Yield stress of the MR fluids 31
Figure 3.1 Configurations of the ultra-precision stage [34] 36
Figure 3.2 Classification of the ultra-precision stage [34] 37
Figure 3.3 Vibration sources of the ultra-precision stage 38
Figure 3.4 BBN vibration criteria [35] 39
Figure 3.5 Configuration of the integrated isolation mount [15] 40
Figure 3.6 Configuration of the mount system 41
Figure 3.7 Configuration of the horizontal MR damper system 42
Figure 4.1 Configuration of the conventional MR damper [15] 46
Figure 4.2 Configuration of the proposed mixed mode MR damper 47
Figure 4.3 Design of the MR damper (UPS-RMS 1) [37] 51
Figure 4.4 Damping force characteristics -simulation (UPS-RMS 1) [37] 52
Figure 4.5 Photograph of the MR damper (UPS-RMS 1) [37] 53
Figure 4.6 Experimental configuration for damping force measurement of the MR damper (UPS-RMS 1) [37] 54
Figure 4.7 Damping force characteristics -experiment (UPS-RMS 1) [37] 55
Figure 4.8 Mechanical model of the stage with MR damper (UPS-RMS 1) 56
Figure 4.9 Control performance under impulse input -simulation (UPS-RMS 1) 57
Figure 4.10 Photograph of the MR damper (UPS-RMS 2) [38] 60
Figure 4.11 Damping force characteristics -experiment (UPS-RMS 2) [38] 61
Figure 4.12 Mechanical model of the stage with MR damper (UPS-RMS 2) [38] 62
Figure 4.13 Control performance of the MR damper (Csky=25) (UPS-RMS 2) [38] 63
Figure 4.14 Control performance of the MR damper (Csky=50) (UPS-RMS 2) [38] 64
Figure 4.15 Control performance of the MR damper (Csky=75) (UPS-RMS 2) [38] 65
Figure 4.16 Photograph of the MR damper (UPS-RMS 3) [39] 70
Figure 4.17 Damping force characteristics -simulation (UPS-RMS 3) [39] 71
Figure 4.18 Experimental configuration for damping force measurement of the MR damper (UPS-RMS 3) [39] 72
Figure 4.19 Damping force characteristics -experiment (UPS-RMS 3) [39] 73
Figure 4.20 Control performances of the skyhook controller (UPS-RMS 3) [39] 74
Figure 4.21 Control performance of the sliding mode controller -signum function (UPS-RMS 3) [39] 75
Figure 4.22 Control performances of the sliding mode controller -saturation function (UPS-RMS 3) [39] 76
Figure 4.23 Control performance comparison (UPS-RMS 3) 77
Figure 4.24 Configuration of the air-mixed type MR damper 79
Figure 4.25 Design of the MR damper (UPS-S3Lab 1) 80
Figure 4.26 Components of the MR damper (UPS-S3Lab 1) 81
Figure 4.27 Photograph of the MR damper (UPS-S3Lab 1) 82
Figure 4.28 Design of the MR damper (UPS-S3Lab 2) 89
Figure 4.29 Magnetic field analysis of the MR damper (UPS-S3Lab 2) 90
Figure 4.30 Rendering image of the MR damper (UPS-S3Lab 2) 91
Figure 4.31 Components of the MR damper (UPS-S3Lab 2) 92
Figure 4.32 Photograph of the MR damper (UPS-S3Lab 2) 93
Figure 4.33 Experimental configuration of the MR damper (UPS-S3Lab 2) 94
Figure 4.34 Damping force characteristics (UPS-S3Lab 2) 95
Figure 4.35 Time response for rising (UPS-S3Lab 2) 96
Figure 4.36 Time response for falling (UPS-S3Lab 2) 97
Figure 4.37 Hysteretic behavior (UPS-S3Lab 2) 98
Figure 4.38 Nonlinear hysteretic biviscous model 99
Figure 4.39 Asymmetric biviscous model 100
Figure 4.40 Damping force model prediction (UPS-S3Lab 2) 101
Figure 4.41 Flow chart of the asymmetric biviscous compensator 102
Figure 4.42 Damping force control -sinusoidal (UPS-S3Lab 2) 103
Figure 4.43 Damping force control -decreasing sinusoidal (UPS-S3Lab 2) 104
Figure 4.44 Design of the MR damper (UPS-S3Lab 3) 105
Figure 5.1 Configuration of the shear mode MR damper 115
Figure 5.2 Optimization parameters of the MR damper (UPS-S3Lab 4) 116
Figure 5.3 Magnetic field analysis of the MR damper (UPS-S3Lab 4) 117
Figure 5.4 Design of the MR damper (UPS-S3Lab 4) 118
Figure 5.5 3D-model of the MR damper (UPS-S3Lab 4) 119
Figure 5.6 Components of the MR damper (UPS-S3Lab 4) 120
Figure 5.7 Photograph of the manufactured MR damper (UPS-S3Lab 4) 121
Figure 5.8 Experimental configuration of the MR damper (UPS-S3Lab 4) 125
Figure 5.9 Current dependent damping force (UPS-S3Lab 4) 126
Figure 5.10 Damping force characteristics: 3Hz (UPS-S3Lab 4) 127
Figure 5.11 Damping force characteristics: 5Hz (UPS-S3Lab 4) 128
Figure 5.12 Damping force characteristics: 10Hz (UPS-S3Lab 4) 129
Figure 5.13 Ideal configuration of the MR damper (UPS-S3Lab 4) 130
Figure 5.14 Field dependent hysteretic behavior (UPS-S3Lab 4) 131
Figure 5.15 Configuration of the MR mount system 1 132
Figure 5.16 Mechanical model of the MR mount system 1 133
Figure 5.17 Configuration of the MR mount system 2 134
Figure 5.18 Mechanical model of the MR mount system 2 135
Figure 6.1 3ton ultra-precision stage 142
Figure 6.2 1.5ton ultra-precision stage 143
Figure 6.3 Configuration of the integrated isolation mount 144
Figure 6.4 Control block-diagram of the integrated isolation mount [45] 145
Figure 6.5 Control system of the ultra-precision stage 146
Figure 6.6 Vibration control result of the ultra-precision stage ?pneumatic, uncontrolled (time) 147
Figure 6.7 Vibration control result of the ultra-precision stage ?pneumatic+EM, uncontrolled (time) 148
Figure 6.8 Vibration control result of the ultra-precision stage ?pneumatic+EM+MR, uncontrolled (time) 149
Figure 6.9 Vibration control result of the ultra-precision stage (time) 150
Figure 6.10 Vibration control result of the ultra-precision stage ?pneumatic, uncontrolled (frequency) 151
Figure 6.11 Vibration control result of the ultra-precision stage ?pneumatic+EM, uncontrolled (frequency) 152
Figure 6.12 Vibration control result of the ultra-precision stage ?pneumatic+EM+MR, uncontrolled (frequency) 153
Figure 6.13 Vibration control result of the ultra-precision stage (frequency) 154

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